STEM-ПРОЄКТ «КОМП’ЮТЕРНИЙ РЕФРАКТОМЕТР ІЗ РІДИННОЮ ПРИЗМОЮ» НА ОСНОВІ ПРОГРАМНОГО ЗАСОБУ COLORKIT
DOI:
https://doi.org/10.28925/2414-0325.2025.192Ключові слова:
навчальний експеримент, рефрактометр, рідинна призма, комп’ютерна обробка візуальних даних, CMOS, STEM, DIYАнотація
Проєкт ColorKit виник близько 15 років тому, як безкоштовний засіб для обробки фото та відеоданих із науковою метою. Перш за все, він призначений для виконання навчально-дослідницьких проєктів в галузі хімії та біології. Використовується учнями-членами МАН та здобувачами Харківського національного педагогічного університету імені Г.С. Сковороди. Завдяки тому, що застосунок має простий інтуїтивний інтерфейс та гнучкі налаштування, на його основі було розроблено ряд оригінальних пристроїв: колориметрів, рефрактометрів, спектрофотометрів, нефелометрів тощо. Створення саморобних (DIY) пристроїв для фізико-хімічного аналізу потребує глибокого знання аналітичної хімії, основ оптики, геометрії, електротехніки, комп’ютерних технологій. Впровадження DIY проєктів у навчальний процес створюють умови для набуття нових стійких компетенцій та навичок колективної роботи.
На кафедрі фізики і хімії ХНПУ імені Г.С. Сковороди із здобувачами та учнями членами МАН було розроблено та апробовано ряд саморобних рефрактометрів: простий демонстраційний, із V-призмою, рідинною призмою, оригінальний рефрактометр, принцип дії якого ґрунтується на зміні збільшення лінзи, що контактує з розчином. У таких проєктах глибоко інтегруються природничі та математичні науки: фізика, хімія, геометрія, математика, біологія.
У статті розглянуто процес організації STEM-проєкту по створенню комп’ютерного рефрактометра з рідинною призмою. Виконано аналіз останніх досліджень і публікацій, описано конструктивні особливості сучасних рефрактометрів, проаналізовано перспективність упровадження оптичних схем у DIY рефрактометрах. Описано діючу модель саморобного комп’ютерного проточного рефрактометра з рідинною призмою. Відсутність лінз у пристрої між матрицею та кюветою запобігає спотворенню зображення об’єктивом вебкамери, що збільшує його точність. Надано математичне обґрунтування оптичної схеми пристрою. Викладено результати апробації DIY рефрактометра. Підтверджено, що результати вимірювання показників заломлення розчинів гліцеролу з використанням рефрактометра РПЛ-3 практично не відрізняються від отриманих на діючій моделі.
Розроблений проточний рефрактометр дозволяє з достатньо високою точністю вимірювати показники заломлення у широкому інтервалі величин, що робить його перспективним для використання у DIY-проєктах здобувачів по розробці комп’ютерних систем перегонки, синтезу речовин, у біологічних дослідженнях, при аналізі продуктів харчування та рослинної сировини.
Завантаження
Посилання
Cabinet of Ministers of Ukraine (2020). On approval of the Concept for the Development of Science and Mathematics Education (STEM Education): Order 05.08.2020 r. №960-r. https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/960-2020-%D1%80#Text
Cabinet of Ministers of Ukraine (2020). On approval of the Standard List of Teaching Aids and Equipment for Classrooms and STEM Laboratories: Order 29.04.2020 r. № 574. Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z0410-20#Text
Vynnyk, O., Butyrina, Y., & Kratenko, R. (2024). Visual data computer processing in educational DIY projects. Electronic Scientific Professional Journal «Open Educational E-Environment of Modern University», 16, 1-21. https://doi.org/10.28925/2414-0325.2024.161
Kyoto Electronics. (2020). Refractometer. Brix meter. Kyoto Electronics Manufacturing CO., LTD. September 29, 2025 https://www.kem.kyoto/
McClimans, M., LaPlante, C., Bonner, D., & Bali, S. (2006). Real-time differential refractometry without interferometry at a sensitivity level of 10-6. APPLIED OPTICS, 45(25), 6477-6486. https://doi.org/10.1364/AO.45.006477
Wang, Z., & Zhenyuan, J. (2023). Development of high accurate family-use digital refractometer based on CMOS. Instrumentation, 10(3), pp. 12-22. https://doi.org/10.15878/j.cnki.instrumentation.2023.03.005
Chen, J., Yang, K., Xia, M., Li, L., & Zeng, X. (2015). Design of acid-lead battery stage-of-charge detection system based on refractive index detection technology. In H. Gong, N. Wu, Y. Ni, W. Chen, & J. Lu (Ed.), AOPC 2015: Optical and Optoelectronic Sensing And Imaging Technology. 9674. 1000 20TH ST, PO BOX 10, Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE-INT SOC Optical Engineering. https://doi.org/10.1117/12.2199904
Chen, J., Guo, W., Yang, K., Yin, X., & Yu, L. (2017). Measurement of refractive index distribution using micro-lens array based on total internal reflection. In B. Witzigmann, M. Osinski, & Y. Arakawa (Ed.), Physics And Simulation Of Optoelectronic Devices XXV. 10098. 1000 20TH ST, PO BOX 10, Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE-INT SOC Optical Engineering. https://doi.org/10.1117/12.2248406
Su, D., Lee, J., & Chiu, M. (1998). New type of liquid refractometer. Optical Engineering, 37, 2795-2797. https://doi.org/10.1117/1.601818
Hao, L., Ke-cheng, Y., Wen-Ping, G., Jie, D., Jun-wei, Y., Wei, L., et al. (2013). An experimental calibration method for digital Abbe refractometer. В J. Ohta, N. Wu, & B. Li (Ред.), International Symposium On Photoelectronic Detection and Imaging 2013: Imaging Sensors And Applications, 8908. https://doi.org/10.1117/12.2034682
Jiang G., Wan J., Lu Z., Dou W., Wang C., Lu Y. Optical design of a refractometer with the liquid prism. Tenth International Conference On Information Optics And Photonics, 10964. 2018. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2505408
Wan, J., & Liang, Z. (2011). A Refractometer Based on Liquid Prism. In X. Dong, X. Bao, P. P. Shum, & T. Liu (Ed.), 2011 International Conference On Optical Instruments And Technology: Optoelectronic Measurement Technology And Systems. 8201. 1000 20TH ST, PO BOX 10, Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE-INT SOC Optical Engineering. https://doi.org/10.1117/12.905399
Wan, J., Lu, Y., Lu, Z., Dou, W., Wang, C., & Jiang, G. (2018). Refractometer with broad refractive index measurement range. In Y. Yu, C. Zuo, & K. Qian (Ed.), Sixth International Conference On Optical And Photonic Engineering (ICOPEN 2018). 10827. 1000 20TH ST, PO BOX 10, Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE-INT SOC Optical Engineering. https://doi.org/10.1117/12.2500969
De Angelis, M., De Nicola, S., Ferraro, P., Finizio, A., & Pierattini, G. (1999). Liquid refractometer based on fringe projection technique. In W. P. Juptner, & K. Patorski (Ed.), Interferometry `99: Applications. 3745, pp. 58-62. 1000 20TH ST, PO BOX 10, Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE-INT SOC Optical Engineering. https://doi.org/10.1117/12.357807
Yang, H., Shin, S., Kumar, S., Seo, D., Oh, S., Lee, M., et al. (2022). A CMOS Image Sensor Based Refractometer without Spectrometry. Sensors, 22(3). https://doi.org/10.3390/s22031209
Barrios, C. (2022). Smartphone-Based Refractive Index Optosensing Platform Using a DVD Grating. Sensors, 22(3). https://doi.org/10.3390/s22030903
Vlaeva, I., Yovcheva, T., Zdravkov, K., Minchev, G., & Stoykova, E. (2008). Design and testing of four-wavelength laser micro-refractometer. In T. Dreischuh, E. Taskova, E. Borisova, & A. Serafetinides (Ed.), 15th International School On Quantum Electronics: Laser Physics And Applications. 7027. 1000 20TH ST, PO BOX 10, Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE-INT SOC Optical Engineering. https://doi.org/10.1117/12.822469
Vynnyk, O. F., Komisova, T. Je., & Kratenko, R. I. (2021). Rozrobka proghramno-metodychnogho kompleksu SchoolKit. Electronic Scientific Professional Journal «Open Educational E-Environment of Modern University», 11, 32-48. https://doi.org/10.28925/2414-0325.2021.113
Rheims, J., Koser, J., & Wriedt, T. (1997). Refractive-index measurements in the near-IR using an Abbe refractometer. Measurement Science and Technology, 8(6), 601-605. https://doi.org/10.1088/0957-0233/8/6/003
Universitat Leipzig (2025). O5e «Index of Refraction of Liquids (Refractometry)». Optics. September 29, 2025. http://home.uni-leipzig.de/prakphys/pdf/VersucheIPSP/Optics/O-05e-AUF.pdf
Cen, X., Su, J., Li, G., Wei, W., Bai, X., & Wu, C. (2020). Optimal design of optical refractometer for seawater salinity measurement. In W. Tianran, C. Tianyou, F. Huitao, & Y. Qifeng (Ed.), Second Target Recognition And Artificial Intelligence Summit Forum. 11427. 1000 20TH ST, PO BOX 10, Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE-INT SOC Optical Engineering. https://doi.org/10.1117/12.2553186
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Винник Олександр Федорович, Комісова Тетяна Євгенівна, Макєєв Сергій Юрійович
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
1.jpg)
